Oleh: Dr. Mohd Faudzi Umar
Pensyarah Fizik
Universiti Pendidikan Sultan Idris
Baru-baru ini saintis dari ETH Zurich telah menemui fenomena Kucing Schrödinger pada skala maksroskopik, di mana ia adaah skala terbesar yang belum pernah dicapai. Penemuan ini telah direkodkan dalam jurnal Science pada 22 April yang lalu [1], dan dibarisi oleh saintis Pusat Kuantum ETH Zurich; Marius Bild, Matteo Fadel, Yu Yang, Uwe Von Lüpke, Phillip Martin, Alessandro Bruno, dan Yiwen Chu. Idea kucing Schrödinger yang hidup dan mati pada masa yang sama mencetus motivasi kajian ini dalam menentu sahkan kejanggalan mazhab mekanik kuantum tersebut.
Kucing Schrödinger merupakan ujikaji khayalan bagi menggambarkan paradoks superposisi kuantum yang diusulkan oleh Erwin Schrödinger pada tahun 1935 [2]. Ujikaji ini menghubung kaitkan keserentakan hidup dan matinya seekor kucing terhadap kebarangkalian satu atom radioaktif yang mereput atau tidak. Ringkasnya, ujikaji khayalan kucing Schrödinger disetkan seperti dalam Rajah 1. Seekor kucing diletakkan kotak, bersama-sama Pembilang Geiger yang mengesan langsung satu sumber radioaktif. Jika dikesan sumber radioaktif tersebut, pembilang Geiger akan melepaskan penukul dan memecahkan bikar berisi racun lalu membunuh kucing tersebut. Jika tidak, maka kucing tersebut adalah terselamat.
Persamaan linear superposisi kuantum bagi pereputan zarah tersebut adalah
|radioaktif>=1/√2 |mereput>+1/√2 |tak mereput> dihubungkan menjadi persamaan linear superposisi baharu iaitu |kucing>=1/√2 |mati>+1/√2 |hidup>,
di mana keadaan hidup dan mati pada masa yang sama. Oleh itu, peranan ‘boleh cerap’ (pencerap) menentukan keadaan mana yang kekal dan meruntuhkan keadaan kuantum yang lain. Pada asalnya ujikaji ini adalah bagi mengkritik mazhab Copenhagen terutamanya dalam ‘masalah pengukuran’. Masalah pengukuran dalam mekanik kuantum adalah tentang bagaimana atau sama ada keruntuhan fungsi gelombang berlaku atau tidak. Kesukaran mencerap keadaan yang runtuh memberikan implikasi berbeza dalam mazhab mekanik kuantum, bahkan persoalan inilah yang menjadi punca perdebatan sepanjang zaman. Bacaan mazhab-mazhab dalam mekanik kuantum boleh rujuk di sini [3] dan [4].
Kertas kajian “Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator” menggunakan sekitar 1017 atom (jumlah bahan 16miligram) dalam keadaan superposisi bagi dua fasa ayunan berbeza. Resonator dalam kajian ini atau high-overtone bulk acoustic-wave resonator (HBAR) digandingkan dengan qubit transmon superkonduktor yang menghasilkan keadaan fonon. HBAR tersebut dipasangkan ke atas cip kristal nilam, yang kemudiannya disambungkan dengan teknologi cip membalik ke dalam perangkat akhir dalam Rajah 2.
Ringkasnya, bagi merealisasikan keadaan seperti Kucing Schrödinger, maka interaksi antara qubit dan fonon yang resonan dipertimbangkan dalam hal ini. Oleh itu, mereka menghubungkan bahagian yang berayun dari kristal delima terhadap litar superkonduktor yang menyebabkan ia bergetar dalam dua arah secara serentak, iaitu keadaan superposisi kuantum. Seterusnya, peralihan ruang antara dua keadaan ayunan kristal tersebut akan diteliti bagi mengesahkan bahawa keadaan kucing Schrödinger adalah tercapai. Meskipun getaran tersebut terjadi pada skala atom, dengan gerakan diukur sekitar meter, ia jelas ketara berbeza antara getaran haba dan ayunan kuantum, secara tidak langsung mengesahkan kewujudan fenomena kucing Schrödinger tersebut.
Meskipun ujikaji ini tidak melibatkan seekor kucing, walau bagaimanapun bagi menjalankan ujikaji ini pada skala makroskopik (sebesar kucing) akan berdepan beberapa kesukaran teknikal. Oleh itu, penemuan Bild dan rakan-rakan [1] memecahkan kebuntuan ini, malah membuka peluang bagi meneroka kepada jasad yang lebih besar. Jika kajian ini dilanjutkan kepada jisim yang lebih lagi, ia akan membentuk objek kuantum makroskopik di mana boleh digunakan sebagai penyimpanan maklumat yang lebih besar dalam komputer kuantum. Mana tahu, kelak kita boleh mencapai pada skala kucing yang sebenar, bagi merealisasikan Kucing Schrödinger.
Daftar Istilah
Mazhab kuantum = quantum interpretation
Ujikaji khayalan = Thought experiment
Pembilang Geiger = Geiger Counter
Keruntuhan fungsi gelombang = wave function collapse
Rujukan
[1] Bild, M., Fadel, M., Yang, Y., von Lüpke, U., Martin, P., Bruno, A., & Chu, Y. (2023). Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator. Science, 380(6642), 274-278. [2] Schrödinger, E. (1935). Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. Naturwissenschaften, 23(50), 844-849. [3] Taza Aznam. (2018). Tafsiran-tafsiran Yang Wujud Untuk Memahami Alam Kuantum. https://www.majalahsains.com/tafsiran-alam-kuantum/ [4] Ahmad Hazazi. (2019). Fenomena Keterbelitan Kuantum: Konsep dan Perkembangannya Sepintas Lalu. https://fizikkini.com/fenomena-keterbelitan-kuantum-konsep-dan-perkembangannya-sepintas-lalu/
